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Physique du climat et sa modélisation
Formaterre (ENS Lyon), Octobre 2007
Christophe CassouCNRS-CERFACS (Toulouse)
WeatherWeather is what you get, climateclimate is what you expect (Lorenz, 1982)
Le temps (la météo): approche déterministe
Le climat :approche statistique approche probabiliste
Le climat : la météo que l’on attend en moyenne, à un momentdonné de l’année, de la décennie, du siècle etc.
Le climat peut être parfaitement prévisible alors que letemps ne l’est pas.
Les observations nous apprennent que le climat, défini comme la « moyenne du temps qu’il fait (météo) sur une période donnée », varie de l’échelle mensuelle à multimillénaire, de l’échelle locale à l’échelle globale. On parle de variabilité climatiquevariabilité climatique..
De la mesure locale aux estimations indirectes globales…De la station météorologique terrestre à la carotte de glace,Des bateaux, bouées, radiosondages aux satellites etc.
1. La physique du climat 1. Introduction
- Variabilité multimillénaire: Alternance de périodes glaciaires/interglaciaires- Variabilité séculaire/décennale : petit age glaciaire au XVI-XVIIème siècle- Variabilité interannuelle: l’été 2007 plus froid en Europe de l’ouest que l’été 2006- Variabilité mensuelle: Aout 2007 plus froid que Sept. 2007 en France- …
Le temps
L’espace - A l’échelle de la planète - A l’échelle d’un continent (Europe glaciale, Afrique sèche …) - A l’échelle d’un pays (France du Nord vs France méditerranéenne…)
Le climat: un continuum des échelles spatiales et temporelles
2. Le système climatique1. Physique du climat
Le climat est un système couplésystème couplé extrêmement complexe, extrêmement complexe, composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la cryosphère qui interagissent à toutestoutes les échelles de
temps et d’espace
Energie incidente : le soleil
Rayonnement directionnel(plus efficace dans les tropiques qu’aux pôles)
Rayonnement terrestre (IR)
Rayonnement isotrope
2. Equilibre énergétique 1. Rayonnement
Spectre radiatif
Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et sescomposantes climatiques (merci!)
-18oC
Effet de Serre
+14oC
2. Equilibre énergétique 2. Effet de serre
2. Equilibre énergétique 3. Bilan radiatif
Un équilibre énergétique très fragile et très précaire
Rtot()= (Rin + Rout)En fonction de la latitude
Pôle S
Pôle N
Eq.
4. Pourquoi les mouvements?
Système Terre = système fermé en équilibre énergétique
Rtot= (Rin + Rout)=0Moyenné sur toute la planète
Transport par océan et atmosphère
2. Equilibre énergétique
Equateur Pôle Nord
Total
Transport de chaleur en 1015 Watts
5. Transport de chaleur2. Equilibre énergétique
Atmosphère
Dynamique atmosphérique Tropicale (Hadley)
Dynamique atmosphérique Des extratropiques (tempêtes)
Océan
Action des courants marins horizontaux (en surface) et verticaux (en profondeur)
Température de surface de la mer
Floride
Québec
6. Un équilibre thermo-dynamico-chimique2. Equilibre énergétique
Le climat est un système couplésystème couplé extrêmement complexe, en mouvement, avec des un éventail de constantes de temps et d’espace très vaste imposées par
la dynamique, la physique et la chimiela dynamique, la physique et la chimie.
1. Le forçage solaire3. Origine de la variabilité
Intensité du rayonnement solaire
Décennale
Variabilité naturelle externenaturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
Séculaire (e.g. Le petit Age glaciaire)
Excentricité=distance au soleil
Milankovitch (1879-1958)
Obliquité=inclinaison des pôles
Précession=rotation des pôles
2. Milankovitch
Fluctuations climatiques naturellesnaturelles expliquées par les changements des paramètres orbitaux
3. Origine de la variabilité
Multimillénaire (Période glaciaire et interglaciaire)
3. Le volcanisme3. Origine de la variabilité
Variabilité naturelle externe:naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
Activité volcanique
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Le forçage par les aérosols volcaniques est intense
mais BREF
Effet parasol
Température globale
4. Le bruit naturel (1)3. Origine de la variabilité
Variabilité naturelle interne:naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)
Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
RétroactionCouplage
5. Le bruit naturel (2)3. Origine de la variabilité
Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)
Le bruit naturel s’exprime ainsi à toutes les échelles de temps et d’espaceLe bruit naturel s’exprime ainsi à toutes les échelles de temps et d’espace
Le bruit naturel s’explique par la nature chaotique du système climatiqueLe bruit naturel s’explique par la nature chaotique du système climatique(en particulier l’atmosphère) et par la présence de processus non-linéaires (en particulier l’atmosphère) et par la présence de processus non-linéaires (phénomènes à seuil, cycle hydrologique etc.) dans chaque sous-système,(phénomènes à seuil, cycle hydrologique etc.) dans chaque sous-système,par des constantes de temps physiques propres à chaque sous-systèmepar des constantes de temps physiques propres à chaque sous-systèmeclimatique, et bien sur à leur couplage.climatique, et bien sur à leur couplage.
Le forçage externe naturel (solaire, volcanisme) se superpose au Le forçage externe naturel (solaire, volcanisme) se superpose au bruit naturel et interagit avec lui. bruit naturel et interagit avec lui.
3 exemples de bruit naturel :
El Nino (Oscillation Australe) -ENSO
Oscillation Nord Atlantique -NAO
Fluctuation de la circulation thermohaline
6. Un dialogue fort entre océan et atmosphère3. Origine de la variabilité
Température de surface Courant de surface Vent de surface
Couplage Océan-AtmosphèreThermodynamique/Dynamique
7. Etat climatique moyen
Gulf Strea
m
Courant froiddes Canaries
Température de surface
3. Origine de la variabilité
Courant de surface
Pacifique TropicalPacifique Tropical
Vent de surface
Température de surface Hauteur dynamique océanique
+80cm
8. L’Oscillation Australe ou ENSO ou El Niño
El Niño = Une oscillation Océan-atmosphère couplée dans le Pacifique
Les alizés
3. Origine de la variabilité
Température de surface
9. Un mécanisme d’ondes : Le Niño 1997-1998
Les alizés
Hauteur du niveau de la mer
3. Origine de la variabilité
Australie
Amérique du Sud
Amérique du Nord
10. La petite sœur : La Niña
Les alizés
Anomalies de température du 13 Nov. 1997
El Niño
3. Origine de la variabilité
La Niña
Anomalies de température du 15 Oct. 2007
11. Des impacts planétaires
Les alizés
?
3. Origine de la variabilité
El Nino = Oscillation climatique couplée océan-atmosphère d’origine naturelle (variabilité interne) dominée par l’échelle interannuelle
(irrégulière entre 2 et 7 ans)
Pas de fréquence privilégiée
Différence de pression entre Islande et Acores
12. L’Oscillation Nord Atlantique (NAO)
Fluctuation simultanée et statique de la Dépression d’Islande et de l’Anticyclone des Açores
3. Origine de la variabilité
L’Oscillation Nord Atlantique (NAO)
Phase + Phase -
Tendance vers lesfortes valeurs positives
depuis les années 80
13. L’Oscillation Nord Atlantique (NAO)3. Origine de la variabilité
Phase +
La NAO: Une oscillation climatique d’origine naturelle (variabilitéInterne) au spectre de fréquence large (semaine a la décennie)
Température Precip.
Phase -
Température Precip.
L’Oscillation Nord Atlantique (NAO)
14. Le Gulf Stream3. Origine de la variabilité
Floride
New York
Québec
Température de surface de la Mer observée par satellite
Évolution de la température de surface de la mer (Groupe Mercator, simulation MNATL 1/16 degré)~25oC
~18oC
~8oC
Passage de vents froids et secscontinentaux sur le Gulf Stream
Pompe à chaleur
Tourbillons(mélange)
15. La circulation thermohaline (1)
La circulation thermohaline
Action de la glace
3. Origine de la variabilité
16. Un long et lent voyage
Injection d’une particule
3. Origine de la variabilité
17. La circulation thermohaline (1)3. Origine de la variabilité
Circulation thermohaline = fluctuation climatique couplée océan-atmosphère d’origine naturelle (variabilité interne) dominée par l’échelle séculaire à millénaire
18. Les trois sources de variabilité3. Origine de la variabilité
Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)
Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
El Nino (Oscillation Australe) -ENSO
Oscillation Nord Atlantique -NAO
Fluctuation de la circulation thermohaline
Forçage solaire
Aérosols volcaniques
Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-)
Perturbation de l’effet de serre (émission de gaz a effet de serre etc.)
Perturbation des conditions des surface (utilisation des sols etc.)
Effet de serre = phénomène naturelnaturel
3. Origine de la variabilité 19. La perturbation anthropique
+ perturbation anthropique+ perturbation anthropique
DIRECTEDIRECTE
+235 W/m+235 W/m22 -235 W/m-235 W/m22
Directe Directe +2.4 W/m2+2.4 W/m2
1%1%
Un équilibre énergétique très fragile et très précaire
Les perturbations apportées par l’homme perturbent un système qui s’est équilibré pendant plusieurs milliers d’années
21. Le cycle du carbone3. Origine de la variabilité
L’approche purement « comptable » de la perturbation anthropique est IDIOTE et SCIENTIFIQUEMENT malhonnête si l’on ne considère pas l’échelle de temps de la
perturbation et de la réponse
20. couplage, couplage3. Origine de la variabilité
RétroactionCouplage
RétroactionCouplage
Rétroaction avec les composantes du système climatique Forte amplification
L’approche purement « comptable » de la perturbation anthropique est IDIOTE et SCIENTIFIQUEMENT malhonnête : le pouième de % de perturbation peut entrainer des
changements massifs (glace, circulation thermohaline etc.)
22. Nécessité de modéliser3. Origine de la variabilité
Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)
Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-)
Modélisation
1. Définition 4. Introduction à la modélisation
• Représentation simplifié, relativement abstraite d’un processus, d’un système en vue de le décrire, de l’expliquer et/ou de le prévoir
• Conceptualisation mentale de lois physiques/mathématiques représentant les structures essentielles d’une réalité et capable à son niveau d’en reproduire dynamiquement le fonctionnement.
Loi physiqueConditions initiales(contraintes sur le temps)
Conditions aux limites(contraintes sur la loi)
Conditions de sortie (prévision/description)
Définition du problème
Heure d’arrivée du cycliste
Heure de départ 10H20
Présence d’une côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Heure de départ 10H20
2. Les sources de prévisibilité (1)
Présence d’une côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962)
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
POIDS RESPECTIF
Heure de départ 10H20
Présence d’une toutePetite côte
Heure d’arrivée 11H43
T=distance vitesse
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
Prévisibilité de 1ere espèce
4. Introduction à la modélisation
Heure de départ 10H20
Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962)
Présence d’une côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
POIDS RESPECTIF
Heure de départ 10H20
Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962)
Présence d’une TRESGRANDE côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Prévisibilité de 2eme espèce
3. Les sources de prévisibilité (2)4. Introduction à la modélisation
4. La météo/le climat
Heure de départ 10H20
Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962)
Présence d’une TRESGRANDE côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
Heure de départ 10H20
Prévisibilité de 1ere espèce
(Lorenz 1962)
Présence d’une toutePetite côte
Heure d’arrivée 11H40
T=distance vitesse
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
Le climatLe climat
La météoLa météo
4. Introduction à la modélisation
5. Un modèle d’atmosphère
Conditions initiales(temp., humidité, vent etc.)
Conditions prévues(temp., humidité, vent etc.)
Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962)
Incertitude
Incertitude(simplification)
Incertitude
Incertitude(physique-chaos)
La météoLa météo
Conditions aux limites(Solaire, gaz a effet de serre etc)
Conditions moyennesmoyennes prévues(temp., humidité, vent etc.)
Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)
Le climatLe climat
Incertitude
Incertitude(simplification)
Incertitude
Incertitude(physique-chaos)
4. Introduction à la modélisation
5. Un modèle d’atmosphère4. Introduction à la modélisation
Découpage en maille
Découpage en temps
Résolution temporelle:
Choix des processus physiques
que l’on veut décrire
Résolution spatiale:
Choix des processus physiques
que l’on veut décrire
6. Historique des modèles
Le développement des modèles suit la problématique et les connaissances scientifiques et techniques passant de questions météo à des questions climatiques
4. Introduction à la modélisation
7. Performances des modèles
Forçage naturel+anthropique imposé dans les modèles
TOUSTOUS les modèles reproduisent le réchauffement global des années 1970-2000
An
om
alies d
e t
em
péra
ture
glo
bale
Observations
Modèles(GIEC 2007)
4. Introduction à la modélisation
GIEC 2007
Conclusions
Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)
Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)
Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-)
Le climat est un système couplésystème couplé extrêmement complexe, extrêmement complexe, composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la cryosphère qui interagissent à toutestoutes les échelles de
temps et d’espace pour assurer une équilibre dynamique/énergétique/chimique.
Le climat diffère de la Météo dans le sens où sa prévisibilité est dans les conditions aux limites et non dans les conditions initiales.
L’ensemble de ces variabilités interagissent/rétroagissent : se limiter à une approche « comptable » des perturbations est un non-sens scientifique (présence de mécanismes d’amplification/atténuation) .
Le climat est prévisible avec un certain degré d’incertitude inhérent au système climatique lui-même, à son observation, à sa compréhension, à sa modélisation etc.
WeatherWeather is what you get, climateclimate is what you expect (Lorenz, 1982)
Climate Climate is what you affect, weatherweather is what gets you (définition pour le XXIeme siècle)